1

1. Основные понятия теории горения.

1. Особенности процессов горения.

Горение – сложный физико-химический процесс, при котором химическое превра-

щение сопровождается выделением энергии (главным образом в виде тепла и излучения)

и тепло- и массообменном с окружающей средой.

В основе процесса горения лежит химическая реакция, способная протекать с са-

моускорением. Причинами самоускорения могут быть:

1.Накопление тепла в системе – тепловое самоускорение

2.Накопление активных частиц – цепное самоускорение

3.Автокатализ – ускорение реакции еѐ продуктами.

Во многих случаях практически важные процессы горения подчиняются чисто фи-

зическим закономерностям, вследствие того, что при высоких температурах химическое превращение может протекать с большими скоростями и химический процесс оказывается подчинѐн чисто физическим закономерностям, таким как перенос тепла и диффузия и ими регулируется. Это означает, что химическая реакция, могущая протекать с высокой скоро-

стью, имеет ограниченную скорость и подчиняется закономерностям того или иного фи-

зического явления.

Основная особенность процессов горения состоит в том, что условия самоускоре-

ния химической реакции созданы ею самою. В кибернетике это явление носит название положительной обратной связи, то есть при малом изменении внешних условий возможен переход от стационарного режима протекания реакции с малой скоростью к режиму, к о-

гда скорость реакции возрастает в геометрической прогрессии. Подобные явления резкого изменения режима протекания реакции при малом изменении внешних условий называ-

ются критическими явлениями, а условия, при которых они наблюдаются, называются

критическими условиями.

К критическим явлениям относят:

1.Самовоспламенение

2.Зажигание

3.Концентрационные пределы распространения пламени.

Критические явления происходят не от того, что резко меняются законы природы, а

являются следствием нарушения равновесия между реагирующей системой и окружаю-

щей средой.

2

Условие самовоспламенения – невозможность теплового или диффузионного рав-

новесия с окружающей средой, условие зажигания – нарушение равновесия при заданных начальных условиях.

Второй особенностью процессов горения является их способность к распростране-

нию в пространстве. При тепловом режиме горения распространение происходит путѐм передачи тепла, при цепном или автокаталитическом – путѐм диффузии активных частиц.

2.Виды и режимы горения.

1.По агрегатному состоянию участников:

a.Горение газовых систем – гомогенное горение

b.Горение твѐрдых и жидких горючих (системы твѐрдое тело – жидкость и твѐрдое тело – газ) – гетерогенное горение

c.Горение конденсированных систем (системы твѐрдое тело – жидкость,

жидкость – жидкость, твѐрдое тело – жидкость).

2.По скорости распространения процесса:

a.Дефлаграционное горение – медленное распространение процесса (при помощи теплопроводности или диффузии)

b.Детонационное горение – быстрое распространение процесса (при по-

мощи ударной волны).

3.По аэродинамическим условиям:

a.Ламинарное горение – гладкий фронт пламени.

b.Турбулентное горение – сильно искривлѐнный фронт пламени.

Примеры различных видов горения по агрегатному состоянию участников:

Гомогенное горение:

Горение органических веществ в кислороде

CH4 (г.)+ 2O2 (г.) = CO2 (г.) + 2H2O (пар)

Горение в присутствии других газообразных окислителей

H2 (г.) + Cl2 (г.) = 2HCl (г.)

Разложение нестойких веществ (озона)

2O3(г.) = 3O2(г.)

3

Гетерогенное горение:

Горение жидкого гидразина:

N2H4(ж.) + O2(г.) = N2(г.) + 2H2O(пар)

Горение углерода:

C(тв.) + O2(г.) = CO2(г.)

Разложение нестойких веществ (ацетилена)

C2H2(г.) = 2C (тв.) + H2(г.)

Горение конденсированных систем:

KClO3(тв.) + Al(тв.) = KCl(тв.) + Al2O3(тв.) 2NH4NO3(тв.) =2N2(г.) + 4H2O(пар) + O2(г.)

3. Термодинамика процессов горения. Тепловой баланс.

Температура горения: Принято характеризовать процессы горения четырьмя тем-

пературами горения

ской смеси с начальной температурой T 0 273K без учѐта теплообмена с окру-

жающей средой.

3.Адиабатическая Tгад - определяется по теплоте сгорания смеси произвольного состава без учѐта теплообмена с окружающей средой.

4.Действительная Tгдейств - реально наблюдающаяся (измеренная) температура го-

рения.

Соотношение между различными определениями температуры горения

Тепловой баланс процессов горения основан на определении тепла, поглощѐнного

продуктами горения. Уравнение теплового баланса имеет вид:

где Qпг -теплота, поглощенная продуктами горения, Qр - теплота химической реакции,

Qисх - теплота, поступившая из внешних источников, Qпот - тепловые потери.

горения. Практически диссоциация продуктов горения вносит заметный вклад лишь при температуре выше 20000С.

Различают высшую и низшую теплоту сгорания. В первом случае вода, как продукт горения, берѐтся в жидком виде, во втором – в парообразном. Поскольку количество вы-

делившейся теплоты зависит от количества сгоревшего вещества, различают мольную те-

плоту сгорания и удельную теплоту сгорания. Т.е. теплоту, выделившеюся при сгорании 1

моля или килограмма горючего вещества.

Для расчѐта удельной теплоты сгорания (в кДж/кг) часто используют формулу Д.И.

Менделеева

где X - содержание элемента в составе горючего в %(масс.), W – влажность.

Общий подход к вычислению теплот реакций основан на химической термодина-

мике. Условимся считать положительными теплоту, полученную системой и работу, со-

вершѐнную системой. Тогда из первого начала термодинамики (закона сохранения энер-

в изобарном процессе p=const интегрирование (1.7) и простые преобразования дают

Из (1.8) и (1.10) следует, что в изохорном и изобарном процессах теплота приобретает свойства функции состояния, т.е. не зависит от пути протекания процесса. Это положение получило название закона Г.И. Гесса. Начальным и конечным состоянием химической ре-

акции являются исходные вещества и продукты реакции. Энтальпии простых веществ, ус-

тойчивых при стандартных условиях (298К и 0,10113 МПа) приняты равными нулю. Для сложных веществ рассматривают изменение энтальпии при их образовании из элементов.

ция экзотермическая (выделяет тепло).

4.Теплоёмкость. Зависимость теплового эффекта реакции от температу-

ры.

Теплоѐмкостью – называют количество теплоты, необходимое для нагрева едини-

цы массы вещества на 1 К. Различают удельную и молярную теплоѐмкости, т.е. количество теплоты, необходимое для нагрева 1 кг. Или 1 моля вещества на 1 К.

Истинная молярная теплоѐмкость определяется следующим образом

Q

С (1.12) dT

Дж

где С – молярная теплоѐмкость, моль К .

Для теплоѐмкостей при постоянном объѐме и давлении (изохорной и изобарной) с

учѐтом (1.8) и (1.10) получаем

7

Или принимая во внимание a Cp298

3.Второго порядка. Зависимость теплоѐмкости от температуры аппроксими-

руется степенным рядом